Những Tế bào Não Này Đang Sống Và Bắn Tia. Và Bạn Có Thể Quan sát Chúng Ở Dạng 3-D

Đối với bệnh nhân mắc bệnh động kinh hoặc u não ung thư, đôi khi cách duy nhất để tiến lên là xuống. Xuống qua đỉnh đầu và vào sọ, xuống qua chất xám khỏe mạnh để đạt được khối u hoặc mạng lưới quá hoạt động gây ra cơn động kinh. Cuối cùng của cuộc phẫu thuật, tất cả những chất xám và trắng thừa được ném vào thùng rác hoặc lò đốt chất thải. Nhưng, không phải là tất cả. Ít nhất là, không phải ở Seattle.

Trong vài năm qua, bác sĩ tại nhiều bệnh viện ở Thành phố Ngọc Lục Bảo đã giữ lại những mảnh và đám mây nhỏ của não, đặt chúng vào đá, và vội vã chuyển chúng đi trong một chiếc xe van trắng qua thành phố đến Viện Nghiên cứu Về Não Allen. Các nhà khoa học ở đó đã giữ mô trong thời gian đủ lâu để tìm hiểu cách từng tế bào não cá nhân trông như thế nào, hoạt động như thế nào, và giao tiếp như thế nào. Và hôm nay, họ đang chia sẻ cái nhìn đầu tiên về những tế bào này trong một cơ sở dữ liệu công cộng tự do. Nó cung cấp cái nhìn tận cùng, phức tạp hơn vào mạch của não người hơn bao giờ hết. Và đó chỉ là bắt đầu của một nỗ lực lớn hơn để xây dựng một danh mục đầy đủ về tế bào não của con người.

Bản phát hành đầu tiên này bao gồm các đọc điện từ một vài trăm tế bào sống - tất cả đều được lấy từ 36 bệnh nhân ngoại khoa thần kinh ở các bệnh viện khu vực Seattle. Đối với 100 tế bào đó, các nhà nghiên cứu Viện Allen đã xây dựng mô hình 3-D của cấu trúc nhánh của chúng, mà họ có thể sử dụng để mô phỏng các mô hình nhịp và đánh điện. Các nhà khoa học có thể nhìn thấy nơi mà tế bào não bắt đầu và kết thúc, và cách dòng điện chảy và lan truyền tín hiệu khắp một mạng lưới tế bào não - những tín hiệu có thể làm di chuyển một cơ bắp hoặc tạo ra một ký ức.

“Ba mươi phút trước, đó là một phần của não của ai đó, có thể là phần giữ ký ức về nụ hôn đầu tiên của họ,” nói Christof Koch, nhà khoa học trưởng và chủ tịch Viện Nghiên cứu Não Allen. “Trước đây, chưa ai có cơ hội như vậy, truy cập vào mô não khỏe mạnh ở mức độ tế bào não cá nhân.”

Do tính phiền toái đặc biệt khi nghiên cứu não người, hầu hết các bản đồ não được xây dựng từ chuột hoặc mô não người sau khi chết. Tế bào não chết có thể cho bạn biết nhiều về hình dạng; bạn có thể nhuộm chúng và xác định hình thái của chúng. Nhưng chúng không thể cho bạn biết bất cứ điều gì về chức năng của mạch—bởi vì chúng không bắn tia.

Vì vậy, để giữ cho tế bào sau phẫu thuật sống sót và hoạt động, bác sĩ đóng gói mảnh mô kích thước hạt đậu vào đá. Họ cần giữ phần não gần như là đóng băng nhất có thể—khoảng 4 độ C—để làm chậm quá trình trao đổi chất và ngăn chặn mô từ tổn thương. Khi nó đến Viện Allen, các nhà nghiên cứu cắt mẫu thành nhiều tảo mảnh không mỏng hơn một lớp silic. Mỗi lớp được đặt vào các container đặc biệt mà các nhà khoa học Allen đã phát triển để giữ mô được hỗ trợ cuộc sống. Chúng trông giống như những chiếc rổ nhỏ, lơ lửng xung quanh một bơi bơi nhỏ bơi trong một dòng khí oxy duy trì sự sống.

Đó là đủ thời gian cho những người như Jonathan Ting, một nhà điều tra viên trợ lý tại Viện Allen, để phân lập từng tế bào não cá nhân và đẩy và đâm chúng bằng điện cực thủy tinh. Bằng cách hình thành một kết nối siêu chặt chẽ với tế bào—được gọi là giga-ohm seal—anh ta có thể đo lường cách nó tăng cao khi phản ứng với những cú sốc nhỏ năng lượng. Mỗi mẫu tăng cao đó hoạt động như một chữ ký giúp xác định chức năng của một tế bào—có thể tế bào này tạo nên một suy nghĩ, trong khi tế bào kia cảm nhận một cảm xúc.

“Trong 150 năm, các nhà nghiên cứu thần kinh đã phân loại tế bào theo cách chúng trông,” nói Ting. Nhưng, anh ta nói, giống như việc mô tả một người, bạn có thể biết được bao nhiêu về một người chỉ bằng cách nhìn vào họ? Liên quan đến cách họ nói chuyện? Cách họ hành động? Liên quan đến mạng xã hội của họ không? Tất cả những điều khác nhau này tô điểm hình ảnh rõ ràng về người là ai. “Điều đó cũng đúng trong lĩnh vực thần kinh,” nói Ting. “Chúng ta chỉ mới bắt đầu điều chỉnh hình thái với hành vi điện với biểu hiện gen.”

Ngoài các bản ghi và mô hình 3D được phát hành hôm nay, cơ sở dữ liệu của Viện Allen hiện nay cũng chứa các hồ sơ biểu hiện gen cho gần 16,000 tế bào não cá nhân. Lĩnh vực mới nổi này, được biết đến là transcriptomics tế bào đơn, cho phép nhà khoa học nhìn thấy tất cả các gen bật lên trong các loại tế bào não khác nhau. Và vào thứ Hai, Viện Y tế Quốc gia đã trao giải thưởng 100 triệu đô la cho Viện Allen và các đối tác của nó để tiếp tục phân loại tế bào não người dựa trên hình dạng, sinh lý, tính kết nối và biểu hiện gen.

Một phần lớn của các khoản tài trợ, tuy nhiên, sẽ được sử dụng để tạo ra một bản đồ toàn diện về các loại tế bào trong não chuột, điều đó sẽ là lần đầu tiên đối với động vật có vú. Nỗ lực này là một phần của Sáng kiến Não của chính phủ liên bang năm 2013, mục tiêu là hiểu đúng mạch não đến mức đủ để phát triển các phương pháp điều trị mới cho các bệnh như động kinh, Alzheimer và đặc biệt là bệnh cơ bắp. John Ngai, một nhà sinh học tế bào tại Đại học California, Berkeley, đang hợp tác với Viện Allen và bốn tổ chức khác để ghi chép tất cả các tế bào trong não của loài gặm nhấm trong vòng năm năm tới, có hình dạng gần như của một viên đường, đúng với kích thước chỉ một phần của miếng não người của Viện Allen.

Không giống những mẫu mô mà, não chuột là hoàn chỉnh—nó có tất cả các phần, từ thùy trán đến tủy chủy. Và mặc dù nó có thể không phức tạp như não người, sự đơn giản là một điểm cộng khi bạn cố gắng tạo ra bản danh mục đầu tiên hoàn chỉnh cho một sinh vật có máu nóng.

Vấn đề là còn bao nhiêu để khám phá? “Gần như mọi thứ,” Ngai nói. “Chúng ta có thể gấp đôi cơ sở kiến thức của mình trong năm năm tới và vẫn còn hơn 99.9% để học.” Những dự án lập bản đồ này thực sự liên quan đến việc cố gắng hiểu về phần cứng bên trong đầu người. Và hy vọng rằng nó cung cấp một số hiểu biết về các khía cạnh đặc biệt của chức năng não con người.